I/O复用系统调用之select()和poll()

I/O复用是一种让进程预先告知内核的能力，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个I/O条件就绪（如可以读/写了），内核就通知进程。主要有select、poll和epoll三种函数支持。调用这几个函数时，不会阻塞在真正的I/O函数上（如read、write），而是阻塞在这几个系统调用上，直到指定的I/O条件就绪。

下边看看select系统调用的应用场景。

I/O复用系统调用之select()——I/O复用场景

以下情况需要使用I/O复用技术：
客户端需要同时处理多个socket；
客户端需要同时处理用户输入和网络连接；
服务器需要同时处理监听socket和连接socket；
服务器需要同时处理TCP请求和UDP请求；
服务器需要同时监听多个端口；

select()函数原型：

#include <sys/select.h>

int select(int nfds,        //被监听描述符总数，通常被设置为select监听的最大描述符号+1

fd_set* readfds,     //接下来三个参数指向可读、可写、异常所对应描述符的集合

fd_set* writefds,

fd_set* exceptfds,

struct timeval* timeout)；   //设置为NULL，则阻塞直到指定描述符事件发生，或设置超时时间没有任何描述符事件就绪就返回0

timeval结构体如下：

struct timeval {  //timeval的两个域都为0，则select不会阻塞，只是简单的轮询指定的描述符集合

long tv_sec;  //秒数

long tv_usec;  //微秒数

返回值： select成功返回就绪描述符的个数；

失败返回-1（信号中断返回-1，设置error为EINTR）

select函数的第四个参数说的“异常”并不是说文件描述符出现了错误，在Linux上一个异常情况只会在下面两种情况下发生：
连接到处于信包模式下的伪终端主设备上的从设备状态发生了改变；
流式套接字上接收到了带外数据。

FD_ZERO(fd_set *fds)： 清空fds与所有文件句柄的联系。

FD_SET(int fd, fd_set *fds)：建立文件句柄fd与fds的联系。

FD_CLR(int fd, fd_set *fds)：清除文件句柄fd与fds的联系。

FD_ISSET(int fd, fd_set *fds)：检查fds联系的文件句柄fd是否

readfds、writefds和exceptions指向的结构体都是保存结果的值。由于这些结构体会在调用中被修改，如果要在循环中重复调用select(0，必须保证每次都要重新初始化它们。

可读的条件：

socket内核接收缓冲区中字节大于等于低水位（低水位为套接字选项中的内容）
socket对方关闭连接
监听socket上有新的连接
socket上有待处理的错误

可写的条件

socket中发送缓冲区字节大于低水位
socket对方写操作关闭
socket上使用非阻塞connect连接成功或者失败之后
socket上有未处理的错误

select()调用的缺点：

单个进程可监视的fd数量被限制（FD_SETSIZE限定了select能容纳的最大描述符数，在Linux上通常为1024）；
对socket采用轮询的方法；
需要维护一个用来存放大量fd的数据结构

select实例：

select监听的描述符上有普通数据，标志着这个select上有可读事件；如果上边有带外数据标志着select上有异常发生。

先看一个简单的客户/服务器回射程序（未使用select），客户从标准输入stdin读入一行数据，发送给服务器，然后又从服务器读取该行数据，回显至客户的标准输出stdout。

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <signal.h>

#include <errno.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <sys/mman.h>

void sig_chld(int signo)

{

pid_t pid;

int stat;

while((pid = waitpid(-1,&stat,WNOHANG)) > 0)

printf("child %d terminated\n",pid);

return;

}

void str_echo(int sockfd)

{

ssize_t n;

char buf[BUFSIZ];

again:

while((n = read(sockfd, buf, BUFSIZ)) > 0)

write(sockfd,buf,n);

if(n < 0 && errno == EINTR)

goto again;

else if(n < 0)

printf("str_echo:%m\n"),exit(0);

}

int main(int argc, char **argv)

{

int listenfd,connfd;

pid_t childpid;

socklen_t clilen;

struct sockaddr_in cliaddr,servaddr;

void sig_chld(int);

listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);

bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));

servaddr.sin_family = AF_INET;

servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.234.129");

servaddr.sin_port = htons(13000);

bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));

listen(listenfd,3);

signal(SIGCHLD,sig_chld);

for(;;) {

clilen = sizeof(cliaddr);

if((connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&clilen)) < 0) {

if(errno == EINTR)

continue;

else

printf("accept: %m\n"),exit(1);

}

if((childpid = fork()) == 0) {

close(listenfd);

str_echo(connfd);

exit(0);

}

close(connfd);

}

}

#include <stdio.h>

#include <sys/socket.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <netinet/in.h>

void str_cli(FILE *fp, int sockfd)

{

char sendline[BUFSIZ],recvline[BUFSIZ];

while(fgets(sendline,BUFSIZ,fp) != NULL) {

write(sockfd,sendline,strlen(sendline));

if(read(sockfd,recvline,BUFSIZ) == 0)

printf("readline:%m\n"),exit(1);

fputs(recvline,stdout);

}

}

int main(int argc, char **argv)

{

int sockfd;

struct sockaddr_in servaddr;

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

servaddr.sin_family = AF_INET;

servaddr.sin_port = htons(13000);

inet_aton("192.168.234.129",&servaddr.sin_addr);

connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));

str_cli(stdin,sockfd);

exit(0);

}

服务器程序运行，客户端启动，输入test，回显test正常： 
 
 

客户端进程阻塞于stdin，等待标准输入（example行），此时关闭服务器端程序，客户端仍然阻塞于stdin。 
 
 

该客户端程序中存在一个问题：当客户程序阻塞于从标准输入fgets读数据时，服务器程序退出， 

客户端无法立刻收到通知。为了解决这个问题可以通过使用select重写该客户端程序的str_cli函数，使得服务器进程一终止，客户就能立刻得到通知。

void str_cli(FILE *fp, int sockfd)

{

int maxfdp1, stdineof;

fd_set rset;

char buf[BUFSIZ];

int n;

stdineof = 0;

FD_ZERO(&rset);

for(;;) {

if(stdineof == 0)

FD_SET(fileno(fp),&rset);   //fileno函数把标准I/O文件指针转换为对应的

描述符

FD_SET(sockfd,&rset);

if(fileno(fp) > sockfd)

maxfdp1 = fileno(fp) + 1;

else

maxfdp1 = sockfd + 1;

select(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL);

if(FD_ISSET(sockfd,&rset)) {

if((n = read(sockfd, buf, BUFSIZ)) == 0) {

if(stdineof == 1){

printf("stdineof == 1\n");

                                return; }

        else

printf("read:%m\n"),exit(1);

}

write(fileno(stdout), buf, n);

}

if(FD_ISSET(fileno(fp),&rset)) {

if((n = read(fileno(fp), buf, BUFSIZ)) == 0) {

stdineof = 1;

shutdown(sockfd, SHUT_WR);

FD_CLR(fileno(fp),&rset);

continue;

}

write(sockfd, buf, n);

}

}

}

poll()系统调用

和select()函数功能类似，

#include <poll.h>

int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);

fds为pollfd结构体数组，定义如下：

struct pollfd {

int fd;           //文件描述符

short events;  //注册的事件,一系列事件按位或实现

short revents; //实际发生的事件，由内核填充，通知应用程序发生了哪些事件，若对某个描述符不感兴趣可将该字段设置为0

}

nfds指定了数组fds中元素的个数（nfds_t 为无符号整型）；

timeout参数同select()函数；

poll()返回值： 

-1：表示发生错误，可能是EINTR信号中断； 

0：表示该调用在任意一个文件描述符称为就绪态之前超时； 

正整数：表示数组fds中拥有的非零revents字段的pollfd结构体数量。

select和poll返回正整数有一些差别。若一个文件描述符在返回的描述符集合中出现了不止一次，系统调用select(）会将同一个文件描述符计数多次；而poll(）系统调用返回的是就绪态的文件描述符个数，且一个文件描述符只会统计一次，就算在相应的revents字段中设定了多个位掩码也是如此。
poll事件类型：